CN109672474B - 一种扩展led可用通信频带的自适应补偿方法 - Google Patents

一种扩展led可用通信频带的自适应补偿方法 Download PDF

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Abstract

一种扩展LED可用通信频带的自适应补偿方法，包括以下步骤：设备上电，初始化；配置参数；测出LED的幅频特性参数；求出DCO‑OFDM各个子载波的功率预加重系数；载波功率分配，功率放大器的限制输出；在接收端计算子载波功率的均值和方差并传送给发射端；判断子载波功率的均值和方差是否满足范围；对子载波数加一；判断所用子载波数是否满足条件，并决定是否进入下一个循环；判定数字预加重器的最大补偿子载波数；重新调整DCO‑OFDM参数后进行正常通信。本发明在输出功率的限制下对发送信号进行预补偿，优化LED频响特性，兼容性和灵活性更好，保证了DCO‑OFDM可见光的通信速率和质量。

Description

一种扩展LED可用通信频带的自适应补偿方法
技术领域
本发明涉及无线光通信领域，尤其涉及一种扩展LED可用通信频带的自适应补偿方法。
背景技术
基于LED的可见光通信由于其具有成本低、安全性高、可用带宽资源丰富等优点在短距离高速通信研究领域备受关注。然而，用于发送光信号的LED灯的可用带宽都比较低，一般在6MHz以下，使得可见光通信在传输速率和性能上收到了很大的制约。要利用LED实现短距离高速通信就必须宽展LED带宽。
目前实现LED带宽扩展的方法都是利用硬件方式进行预加重补偿，目前有：桥T型均衡电路、多路谐振电路、高通滤波器等几个方案。但是，采用硬件方式进行补偿具有以下几个问题：
(1)硬件电路不能结合LED衰减特性进行补偿；
(2)硬件补偿电路不能按照实际的输出功率对LED带宽进行补偿，在系统输出功率一定的条件下，若带宽补偿范围过大，补偿的效果并不明显，反而造成带内信号平均功率减小，信噪比降低；
(3)硬件电路只能针对某个或者某款LED进行补偿，缺乏灵活性和兼容性。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所解决的技术问题是如何在一定输出功率的限制下对发送信号进行预补偿并具有很好的兼容性，从而保证了DCO-OFDM可见光的通信速率和质量。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种扩展LED可用通信频带的自适应补偿方法，包括如下步骤：
101设备上电，进行初始化；
102配置相关的参数，包括扫频的频率间隔fgap，DCO-OFDM子载波的间隔fc和子载波数2N；
接收机在未收到信号时的平均噪声功率谱密度
Figure GDA0003215928230000021
在接收端所用子载波的平均功率谱密度与平均噪声功率密度谱的安全间隔
Figure GDA0003215928230000022
在接收端所用子载波的平均功率谱密度的浮动范围
Figure GDA0003215928230000023
所述DCO-OFDM子载波的间隔fc和子载波数2N必须满足以下条件：2N-1×fc≤100MHz≤2N×fc，其中100MHz是事先设定的一个阈值。
所述接收机在未收到信号时的平均噪声功率谱密度
Figure GDA0003215928230000024
是经过仪器测得的。
103利用扫频方式测出LED的幅频特性参数；
针对不同的LED，在发射端发送频率为fs＝n×fgap的正弦波对LED幅频特性进行扫频，其中n为正整数且fs≤100MHz；在接收端获取每个频率的功率PLED(fs)后建立一个表格并发送至发射端，发射端收到该表格后进行保存，并将此表格命名为表格一。
104根据当前所测得的LED幅频特性参数，求出DCO-OFDM各个子载波的功率预加重系数，包括以下分步骤；
(1)从表格一中根据DCO-OFDM各个子载波获取对应的功率，建立表格二，包括以下过程：
1)以DCO-OFDM每个子载波频率fk为基准，从表格一中获得相邻的两个频率fm-1和fm，使得fm-1≤fk≤fm；
2)若fk-fm-1＜fgap×10％，则Pt(fk)＝PLED(fm-1)；
3)若fk-fm-1＞fgap×90％，则Pt(fk)＝PLED(fm)；
4)若fgap×10％≤fk-fm-1≤fgap×90％，则采用三次样条插值法，构造一个三次函数f(x)＝ax3+bx2+cx+d，利用点(fm-2，PLED(fm-2))，(fm-1，PLED(fm-1))，(fm，PLED(fm))和(fm+1，PLED(fm+1))求解函数f(x)中的常量a，b，c，d，求得f(fk)，令Pt(fk)＝f(fk)；
5)利用点(fk，Pt(fk))建立一个表格并保存，并命名为表格二。
所述DCO-OFDM子载波频率fk具体值为kfc，其中k∈[0，2N-1]且k为自然数。
(2)根据表格二求得DCO-OFDM各个子载波的功率预加重系数；
以Pt(f0)为参考，则子载波的功率预加重系数
Figure GDA0003215928230000031
并利用点
Figure GDA0003215928230000032
建立表格三并保存。
105信号发射端利用设定好的子载波数Ndata并选取DCO-OFDM前Ndata个子载波，利用得到的子载波的功率预加重系数对这些子载波进行功率分配，在功率放大器的最大输出功率的限制下将信号发送出去；
针对所指定的子载波，结合表格三对各个子载波进行功率分配，各个子载波获得的功率为：
Figure GDA0003215928230000041
所述功率放大器的最大输出功率的限制指的是所指定子载波在分配功率后的总功率经过功率放大器的输出功率不应该超出功率放大器最大输出功率：
Figure GDA0003215928230000042
其中G为功率放大器的增益，Pamp为功率放大器的最大输出功率。
106接收端收到信号后计算得到所使用子载波功率的均值和方差，并传送给发射端；发射端接收到所使用子载波功率的均值和方差后对其判断是否满足可靠的范围，若满足，则进入下一步骤，反之则进入步骤109，具体分步骤如下：
(1)获得接收信号的各个子载波功率ξ′j的均值E(ξ′j)；
(2)获得接收信号的各个子载波功率ξ′j的方差D(ξ′j)；
(3)若
Figure GDA0003215928230000043
且
Figure GDA0003215928230000044
则判定满足要求，否则判定不满足要求。
107对所用子载波数Ndata加一；
108判断所用子载波数Ndata是否大于2N-1-1，若是则进入步骤109，反之则进入步骤105，2N为DCO-OFDM子载波个数；
109判定均衡器在功率限制和所设定参数的情况下的最大补偿子载波数Nuse＝Ndata-1；
110根据事先设定的参数和最大补偿子载波数Nuse，重新调整DCO-OFDM参数后进行正常通信。
所述重新调整DCO-OFDM参数，是在给出OFDM的载波频率fc、数字预加重器所能补偿的最大子载波个数Nuse条件下，按照实际通信需求重构DCO-OFDM子载波个数，实现正常通信。
与现有技术相比，采用本发明的技术方案通过采用扫频方式来获得LED的幅频特性，在一定输出功率的限制下有针对性地对发送信号进行预补偿，优化LED频响特性，具有很好的兼容性和灵活性，从而保证了DCO-OFDM可见光的通信速率和质量。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为利用扫频方式测出各个LED的幅频特性参数的流程图；
图3为实施例中测得的第一个LED的幅频特性曲线图；
图4为实施例中测得的第二个LED的幅频特性曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步的说明，但不是对本发明的限定。
图1示出了一种扩展LED可用通信频带的自适应补偿方法，包括如下步骤：
101设备上电，进行初始化，设备初始化的目的是对设备的工作运行环境参数的初始化；
102配置相关的参数，包括扫频的频率间隔fgap，DCO-OFDM子载波的间隔fc和子载波数2N；
接收机在未收到信号时的平均噪声功率谱密度
Figure GDA0003215928230000061
在接收端所用子载波的平均功率谱密度与平均噪声功率密度谱的安全间隔
Figure GDA0003215928230000062
在接收端所用子载波的平均功率谱密度的浮动范围
Figure GDA0003215928230000063
所述DCO-OFDM子载波的间隔fc和子载波数2N必须满足以下条件：2N-1×fc≤100MHz≤2N×fc，其中100MHz是事先设定的一个阈值。
所述接收机在未收到信号时的平均噪声功率谱密度
Figure GDA0003215928230000064
是经过仪器测得的。
103利用扫频方式测出LED的幅频特性参数；
针对不同的LED，在发射端发送频率为fs＝n×fgap的正弦波对LED幅频特性进行扫频，其中n为正整数且fs≤100MHz，测出LED的幅频特性参数。如图2所示，其具体分步骤如下：
201初始化正弦波发送频率的步进数n＝1和发送频率fs＝n×fgap；
202发送指定频率的正弦波；
203接收端收到正弦波后求出在该频率下对应功率谱密度，并记录下来；
204更新正弦波发送频率的步进数n＝n+1和发送频率fs＝n×fgap；
205判断更新的正弦波发送频率fs是否大于100MHz，若否，则跳回分步骤202，反之跳到分步骤206；
206在发射端对于保存的数据建立一个表格，命名为表格一，并发送至发射端。
图3、图4示出了实施例中测得的两个LED幅频特性曲线。
在接收端获取每个频率的功率PLED(fs)后建立一个表格并发送至发射端，发射端收到该表格后进行保存，并将此表格命名为表格一。
104根据当前所测得的LED幅频特性参数，求出DCO-OFDM各个子载波的功率预加重系数，将所用子载波数Ndata设为2。包括以下分步骤；
(1)从表格一中根据DCO-OFDM各个子载波获取对应的功率，建立表格二，包括以下过程：
1)以DCO-OFDM每个子载波频率fk为基准，从表格一中获得相邻的两个频率fm-1和fm，使得fm-1≤fk≤fm；
2)若fk-fm-1＜fgap×10％，则Pt(fk)＝PLED(fm-1)；
3)若fk-fm-1＞fgap×90％，则Pt(fk)＝PLED(fm)；
4)若fgap×10％≤fk-fm-1≤fgap×90％，则采用三次样条插值法，构造一个三次函数f(x)＝ax3+bx2+cx+d，利用点(fm-2，PLED(fm-2))，(fm-1，PLED(fm-1))，(fm，PLED(fm))和(fm+1，PLED(fm+1))求解函数f(x)中的常量a，b，c，d，求得f(fk)，令Pt(fk)＝f(fk)；
5)利用点(fk，Pt(fk))建立一个表格并保存，并命名为表格二；
所述DCO-OFDM子载波频率fk具体值为kfc，其中k∈[0，2N-1]且k为自然数。
(2)根据表格二求得DCO-OFDM各个子载波的功率预加重系数；
以Pt(f0)为参考，则子载波的功率预加重系数
Figure GDA0003215928230000081
并利用点
Figure GDA0003215928230000082
建立表格三并保存。
105信号发射端利用设定好的子载波数Ndata并选取DCO-OFDM前Ndata个子载波，利用得到的子载波的功率预加重系数对这些子载波进行功率分配，在功率放大器的最大输出功率的限制下将信号发送出去；
在测试预加重补偿极限的时候，利用子载波逐步加一的方式去逼近该极限值，DCO-OFDM中只有部分子载波承担能量，又考虑DCO-OFDM有厄尔米特对称结构，因此各个子载波分配的功率为：
Figure GDA0003215928230000083
其中j∈[2，Ndata]，Ndata为所用子载波数。
由于DCO-OFDM信号是经过功率放大器进行功率放大后才与直流偏置耦合，之后用来驱动LED发出光信号，因此对于DCO-OFDM最终得到的功率是不能大于功率放大器的最大输出功率的，其具体表达式为：
Figure GDA0003215928230000084
其中G为功率放大器的增益，Pamp为功率放大器的最大输出功率。
106接收端收到信号后计算得到所使用子载波功率的均值和方差，并传送给发射端；发射端接收到所使用子载波功率的均值和方差后对其判断是否满足可靠的范围，若满足，则进入下一步，反之则进入步骤109；
发射端经过对信号功率分配和功率限制后将信号发送出去，而接收端到信号后计算得出信号的一些重要参数，并将这些参数回传给发射端进行评估。这些参数主要有子载波功率的均值和方差，均值是用来使得信号承载的功率与平均噪声功率谱密度
Figure GDA0003215928230000091
保证一定的安全距离；而方差是来保证信号功率满足一定的浮动范围，具体分步骤如下：
(1)获得接收信号的各个子载波功率ξ′j的均值E(ξ′j)；
(2)获得接收信号的各个子载波功率ξ′j的方差D(ξ′j)；
(3)若
Figure GDA0003215928230000092
且
Figure GDA0003215928230000093
则判定满足要求，否则判定不满足要求。
107对所用子载波数Ndata加一；
108判断所用子载波数Ndata是否大于2N-1-1，若是则进入步骤109，反之则进入步骤105，2N为DCO-OFDM子载波个数；
判断所采用的子载波数Ndata是否超过DCO-OFDM子载波数的一半(除直流分量意外)，判断表达式为Ndata＞2N-1-1，若满足则进入下一个循环，即进入步骤105，反之则进入步骤109；
109判定均衡器在功率限制和所设定参数的情况下的最大补偿子载波数Nuse＝Ndata-1，当然这是在确定子载波间隔fc前提下，而这是由步骤102完成的；
110根据事先设定的参数和最大补偿子载波数Nuse，重新调整DCO-OFDM参数后进行正常通信。
所述重新调整DCO-OFDM参数，是在给出OFDM的载波频率fc、数字预加重器所能补偿的最大子载波个数Nuse条件下，按照实际通信需求重构DCO-OFDM子载波个数，实现正常通信。
与现有技术相比，采用本发明的技术方案通过采用扫频方式来获得LED的幅频特性，在一定输出功率的限制下有针对性地对发送信号进行预补偿，优化LED频响特性，具有很好的兼容性和灵活性，从而保证了DCO-OFDM可见光的通信速率和质量。
以上结合附图和实施例对本发明的实施方式做出了详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，对这些实施方式进行各种变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种扩展LED可用通信频带的自适应补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
101设备上电，进行初始化；
102配置相关的参数，包括扫频的频率间隔fgap，DCO-OFDM子载波的间隔fc和子载波数2N；所述DCO-OFDM子载波的间隔fc和子载波数2N必须满足以下条件：2N-1×fc≤100MHz≤2N×fc，其中100MHz是事先设定的一个阈值；
103利用扫频方式测出LED的幅频特性参数；
步骤103中，针对不同的LED，在发射端发送频率为fs＝n×fgap的正弦波对LED幅频特性进行扫频，其中n为正整数且fs≤100MHz；在接收端获取每个频率的功率PLED(fs)后建立一个表格并发送至发射端，发射端收到该表格后进行保存，并将此表格命名为表格一；
104根据当前所测得的LED幅频特性参数，求出DCO-OFDM各个子载波的功率预加重系数，将所用子载波数Ndata设为2，包括以下分步骤：
(1)从表格一中根据DCO-OFDM各个子载波获取对应的功率，建立表格二，包括以下过程：
1)以DCO-OFDM每个子载波频率fk为基准，从表格一中获得相邻的两个频率fm-1和fm，使得fm-1≤fk≤fm；
2)若fk-fm-1＜fgap×10％，则Pt(fk)＝PLED(fm-1)；
3)若fk-fm-1＞fgap×90％，则Pt(fk)＝PLED(fm)；
4)若fgap×10％≤fk-fm-1≤fgap×90％，则采用三次样条插值法，构造一个三次函数f(x)＝ax3+bx2+cx+d，利用点(fm-2，PLED(fm-2))，(fm-1，PLED(fm-1))，(fm，PLED(fm))和(fm+1，PLED(fm+1))求解函数f(x)中的常量a，b，c，d，求得f(fk)，令Pt(fk)＝f(fk)；
5)利用点(fk，Pt(fk))建立一个表格并保存，并命名为表格二；
所述DCO-OFDM子载波频率fk具体值为kfc，其中k∈[0，2N-1]且k为自然数；
(2)根据表格二求得DCO-OFDM各个子载波的功率预加重系数；
以Pt(f0)为参考，则子载波的功率预加重系数
Figure FDA0003467555730000021
并利用点
Figure FDA0003467555730000022
建立表格三并保存；
105信号发射端利用设定好的子载波数Ndata并选取DCO-OFDM前Ndata个子载波，利用得到的子载波的功率预加重系数对这些子载波进行功率分配，在功率放大器的最大输出功率的限制下将信号发送出去；
106接收端收到信号后计算得到所使用子载波功率的均值和方差，并传送给发射端；发射端接收到所使用子载波功率的均值和方差后对其判断是否满足可靠的范围，若满足，则进入下一步骤，反之则进入步骤109；
107对所用子载波数Ndata加一；
108判断所用子载波数Ndata是否大于2N-1-1，若是则进入步骤109，反之则进入步骤105，2N为DCO-OFDM子载波个数；
109判定均衡器在功率限制和所设定参数的情况下的最大补偿子载波数Nvse＝Ndata-1，这是在确定子载波间隔fc前提下，由步骤102完成确定子载波间隔fc；
110根据事先设定的参数和最大补偿子载波数Nuse，重新调整DCO-OFDM参数后进行正常通信；
步骤110中，所述重新调整DCO-OFDM参数，是在给出OFDM的载波频率fc、数字预加重器所能补偿的最大子载波个数Nuse条件下，按照实际通信需求重构DCO-OFDM子载波个数，实现正常通信。
2.如权利要求1所述的扩展LED可用通信频带的自适应补偿方法，其特征在于，步骤102中，配置相关的参数，还包括接收机在未收到信号时的平均噪声功率谱密度
Figure FDA0003467555730000031
在接收端所用子载波的平均功率谱密度与平均噪声功率密度谱的安全间隔
Figure FDA0003467555730000032
在接收端所用子载波的平均功率谱密度的浮动范围
Figure FDA0003467555730000033
3.如权利要求2所述的扩展LED可用通信频带的自适应补偿方法，其特征在于，所述接收机在未收到信号时的平均噪声功率谱密度
Figure FDA0003467555730000034
是经过仪器测得的。
4.如权利要求1所述的扩展LED可用通信频带的自适应补偿方法，其特征在于，步骤105中，针对所指定的子载波，结合表格三对各个子载波进行功率分配，各个子载波获得的功率为：
Figure FDA0003467555730000041
其中
Figure FDA0003467555730000042
表示信号进入功率放大器之前的最大功率；
Figure FDA0003467555730000043
表示表格三中第i个值；
Figure FDA0003467555730000044
表示表格三中第j个值。
5.如权利要求4所述的扩展LED可用通信频带的自适应补偿方法，其特征在于，所述功率放大器的最大输出功率的限制指的是所指定子载波在分配功率后的总功率经过功率放大器的输出功率不应该超出功率放大器最大输出功率：
Figure FDA0003467555730000045
其中G为功率放大器的增益，Pamp为功率放大器的最大输出功率。
6.如权利要求2所述的扩展LED可用通信频带的自适应补偿方法，其特征在于，步骤106具体分步骤如下：
(1)获得接收信号的各个子载波功率ξ′j的均值E(ξ′j)；
(2)获得接收信号的各个子载波功率ξ′j的方差D(ξ′j)；
(3)若
Figure FDA0003467555730000046
且
Figure FDA0003467555730000047
则判定满足要求，否则判定不满足要求。
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